Sieger beim Deutschen Zukunftspreis: Extrem kurzwelliges Laserlicht für Mikrochips | Wissen & Umwelt | DW | 25.11.2020

2022-05-29 00:07:34 By : Ms. Maryan Tsai

Wir verwenden Cookies, um unser Angebot für Sie zu verbessern. Mehr Informationen dazu finden Sie in unserer Datenschutzerklärung.

Die renommierte Auszeichnungen für Forschung und Entwicklung in Deutschland geht an die Erfinder von extrem kurzwellige UV-Licht, durch das Computerchips um ein vielfaches leistungsfähiger werden.

Am Abend des 25. November hat Bundespräsident Frank-Walter Steinmeier die Erfinder eines verbesserten Mikrochip-Herstellungsverfahrens zum Gewinner des diesjährigen Deutschen Zukunftspreises  gekürt. Der mi einer Viertelmillion Euro dotierte Preis ist eine der wichtigsten Auszeichnungen  für Forschung und Entwicklung in Deutschland. Drei Teams standen im Finale.

Beim Sieger-Team geht es um Lithografie - also Tiefdruck. Nur dass damit keine Radierungen, also Bilder, entstehen, sondern Computerchips. Peter Kürz von Zeiss  hat gemeinsam mit Michael Kösters von der Firma Trumpf aus Ditzigen  und Sergiy Yulin vom Fraunhofer Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik (IOF)  in Jena eine Laser-Technik mit extrem ultraviolettem Licht (EUV) marktfähig gemacht. 

Die Gewinner von 2019: Deutscher Zukunftspreis für Software-Entwickler aus Bayern

Die Spiegel, mit denen das EUV-Licht auf die Siliziumwafer gelenkt wird, darf nicht die geringsten Unreinheiten haben

Die Laser projizieren dabei Mikrochip-Schaltungen auf mit Fotolack beschichtete Siliziumwafer. Dabei kommt den Forschern zugute, dass das EUV-Licht viel kurzwelliger ist als bei bisher gängigen Produktionsverfahren mit optischer Lithografie. Das Ergebnis: Die Halbleiter, die so auf den Chips entstehen, sind noch viel filigraner. Dadurch passen mehr Bauelemente auf den Chip und er wird um ein vielfaches leistungsfähiger.

Die Größe der so entstehenden Halbleiter-Strukturen bewegt sich mittlerweile im Nanometer-Bereich, also millionstel Millimeter. 

Die Anzahl der Halbleiter, die auf einen Mikrochip passen, hat sich in den letzten 50 Jahren im Durchschnitt etwa alle zwei Jahre verdoppelt. Diese Entwicklung wurde nach dem Intel-Mitbegründer Gordon Moore auch als "Moorsches Gesetz" bekannt.

Allerdings erreichen die Forscher mittlerweile bei der Chipentwicklung die Grenzen der Physik - zum Beispiel bei der Taktfrequenz. Deshalb gehen die Hersteller immer mehr dazu über, die Chips nicht nur immer kleiner zu machen, sondern die Leistung auch dadurch zu steigern, dass sie viele Kerne aufeinander setzen. So entstehen sogenannte Duo-Core oder Quad-Core Prozessoren. 

Die Gewinner von 2018: Herpes-Mittel mit Zukunftspreis 2018 ausgezeichnet

Peter Kürz, Michael Kösters und Sergiy Yulin haben bewiesen, dass selbst Mikrochips noch kleiner werden können.

Mit der EUV-Technik haben nun die drei nominierten Laserexperten noch einmal den eher klassischen Versuch unternommen, die Transistoren auf den Chips durch kürzere Wellenlängen zu verdichten und somit leistungsfähiger zu machen.

Die größte Herausforderung dabei war es, eine absolut präzise und saubere Arbeitsatmosphäre zu schaffen, wie es sie selbst in der Mikrochip-Herstellung bisher nicht gab. Selbst winzigste Verunreinigungen oder Unebenheiten dürfen sich die Erfinder nicht leisten. 

Das Ergebnis ist kaum vorstellbar: Wäre ein Spiegel für die EUV-Lithografie so groß wie die Fläche Deutschlands, dürfte darauf keine Unebenheit größer sein als 0,1 Millimeter.

Auch beim zweiten Projekt, dass für den Zukunftspreis nominiert war, spieltedie Firma Zeiss eine wichtige Rolle.   Auch hier ging es um höchste Präzision.

Frank Seizinger und Michelangelo Massini von der Zeiss Medizinsparte Meditec haben gemeinsam mit dem Neurochirurgen Andreas Raabe vom Inselspital Bern  in der Schweiz eine Kameratechnik für robotergestützte Operationen entwickelt und in über 100 Ländern weltweit auf den Markt gebracht. 

Die Gewinner von 2017: Deutscher Zukunftspreis: Jedermann-Roboter holt den Sieg

Die Handsteuerung ist für die Operationsgeräte. Die Kamera wird mit einer Fußkonsole bedient.

Mit den neuen Geräten können Ärzte bei Gehirn- oder Rückenmarksoperationen durch automatisierte Kamerafahrten im Operationssaal genau sehen, was sie tun. Die Kamera kann dabei bestimmte Positionen speichern und auch um die Ecke schauen. Der Arzt bewegt die Kamera mit einem Fusspult und hat so die Hände frei zur Steuerung der Operationsgeräte. 

Zum Einsatz kommt die Technik etwa, wenn Missbildungen von Blutgefäßen verschlossen werden müssen oder bei Tumoroperationen.

Zwar gibt es bereits hochspezialisierte Operationsmikroskope, allerdings fällt es den Ärzten oft schwer, diese so nachzuführen, dass sie genau erkennen, wo sie gerade arbeiten. Die Mediziner müssen also ihre Arbeit immer wieder unterbrechen, um die Position der Kamera nachzukontrollieren. Mit der neuen Automatik können die Ärzte konzentriert weiterarbeiten, was sie weniger ermüdet, und sie können auch immer wieder bestimmte Operationsorte per Knopfdruck ansteuern, die sie zuvor abgespeichert haben.

Die Gewinner von 2016: Carbonfaser-verstärkter Beton gewinnt den Deutschen Zukunftspreis

Andreas Raabe, Michelangelo Massini und Frank Seizinger erleichtern mit ihrer Erfindung den Neurochirurgen die Arbeit

Darüber hinaus hat das Forscherteam eine Visualisierung zusätzlicher Informationen eingebaut. Mit Augmented Reality (AR) können die Ärzte zusätzliche Informationen virtuell in ihr Sichtfeld einspielen. So lassen sich zum Beispiel bestimmte Gefäße besser sichtbar machen.

Die gesamte Bildgebung ist gleichzeitig für alle im Operationssaal zu sehen und kann auch darüber hinaus an andere Experten live gestreamt werden, wenn etwa der Operateur einen Fachkollegen aus einer anderen Stadt zu Rate ziehen will.

Beim dritten Team ging es zwar nicht um Optik, aber Glas spielte durchaus eine Rolle. 

Die Erfindung ist eigentlich recht naheliegend. Das Prinzip kennt man von der Thermoskanne: Ein doppelwandiger Glaszylinder und dazwischen ein Vakuum. Das Vakuum isoliert sehr gut, weil kein Gas in dem Behälter steckt, das die Wärme transportieren kann. 

Die Gewinner von 2015: Die automatische Notbremse für Autos setzt sich durch

Von den winzigen vakuumgefüllten Glasperlen ist später, wenn sie im Mörtel gebunden sind, nichts mehr zu sehen.

Friedbert Scharfe vom Mörtelhersteller Maxit  hat sich Unterstützung von Thorsten Gerdes geholt, der als Professor an seinem Keylab an der Universität Bayreuth zur Glastechnologie forscht und lehrt. Mit im Team ist Klaus Hintzer von Dyneon, einer Tochter von 3M,  im Oberbayerischen Burgkirchen. 

Die bayerischen Ingenieure haben ihr in Glas verpacktes Vakuum viel kleiner gemacht als eine Thermoskanne. Die hohlen Glasperlen erreichen gerade mal Durchmesser von 10 bis 200 Mikrometern und sind verblüffend leicht.

Die Glasperlen werden in einem mineralischen Mörtel-Klebstoff eingebunden, der sich als Putz oder Trägermaterial verwenden lässt. Auch kann man ihn auf Wände aufspritzen. 

Die Gewinner von 2014: Deutscher Zukunftspreis für die Lupine

Thorsten Gerdes, Friedbert Scharfe und Klaus Hintzer machen Dämmstoffe für denkmalgeschützten Fassaden

Der neuartige Dämm-Mörtel hat viele Vorteile im Vergleich zu herkömmlichen Dämm-Materialien. Dämmstoffe aus Kunststoff sind nicht feuerfest Auch sind sie oft diffusionsdicht und können bei Planungsfehlern zu Kondenswasserschäden und im schlimmsten Fall zu Schimmelbildung beitragen. 

Mineralwolle-Dämmplatten sind zwar diffusionsoffen und weniger anfällig für Staunässe, werden sie aber nass, verklumpen sie schnell und verlieren dadurch ihre Dämmwirkung.

Die in mineralischen Mörtel gebundenen Glasperlen sind hingegen nicht feuchtigkeitsanfällig und zudem lässt der Mörtel noch Wasserdampf hindurch. Mögliche Planungs- und Ausführungsfehler beim Bau verzeiht das Material also. Zudem ist es feuerfest.

Und noch einen großen Vorteil hat der Mörtel: Er lässt sich selbst dort einsetzen, wo eine klassische Außendämmung nicht in Frage kommt, etwa an denkmalgeschützten Fassaden, an denen herkömmliche Putzträger-Dämmplatten bzw. Wärmedämmverbundsysteme nichts zu suchen haben. Auch als Innendämmstoff ist der Glasperlen-Mörtel geeignet. 

Die Gewinner von 2013: Präzisionsbohrungen - neu erfunden

Die Wunderwerke der frühen Computertechnik - wie dieser Commodore PET 2001 aus dem Jahr 1977 - sind in ihrem Retro-Design heute schon wieder chic. Und in den meisten Fällen noch voll funktionsfähig. In Dortmund soll 2016 das Deutsche Museum der digitalen Kultur entstehen. Die alten Schätzchen werden dort einen Ehrenplatz erhalten.

Den ersten Rechner, der mit einem binärem Zahlensystem aus Nullen und Einsen arbeitete, baute der Deutsche Konrad Zuse. Als Maschinenbauer diente er sich dem NS-Regime an. Seine ausgetüftelten Rechenmaschinen konstruierte er aus Altmaterial, die Lochkarten aus alten Filmstreifen. Als er 1982 die Computermesse in Nürnberg besuchte, konnte er nur staunen, was aus seiner Erfindung geworden war.

Die erste programmierbare Rechenmaschine stellte der Tüftler Konrad Zuse schon 1938 fertig. Drei Jahre später baute er mit der Z3 den ersten Computer der Welt - drei Schränke groß und eine Tonne schwer. Je nach Rechenvorgang brauchte die Maschine eine knappe Sekunde oder länger. Die Z3 wurde im Zweiten Weltkrieg zerstört. Ein Nachbau ist heute im Deutschen Museum in München zu sehen.

1974 kam ein Bausatz für einen handlichen Heim-Computer, heute kurz PC genannt, auf den amerikanischen Markt. Schnell bildeten sich Computerclubs und Altair-Zirkel, in denen sich die Bastler trafen. Auch Apple-Gründer Steve Jobs und Steve Wozniak tauchten dort häufig auf und ließen sich von den technischen Neuerungen inspirieren. Der Altair 8800 traf den Nerv der Zeit.

Der Apple I ist 1976 noch in der legendären Garage von Apple-Mitgründer Wozniak entstanden. Was aussieht wie ein umgebauter Fernseher für Hobbybastler, kostete damals 666,66 US-Dollar. Tastatur und Gehäuse mussten die Computerfreaks allerdings noch dazu kaufen. Heute sind die Apple-I-Computer begehrte und vor allem teure Sammlerstücke, die für mehrere hunderttausend Dollar versteigert werden.

Die US-amerikanische Computerfirma IBM stellte 1981 ihren ersten Personal Computer vor. Doch erfolgreicher als die teuren IBM-PCs waren die Großrechner der Firma, die schon länger erhältlich waren. 1964 kam das IBM System/360 auf den Markt. Es beinhaltete verschiedene Großcomputer für die Wissenschaft, die Wirtschaft, die Industrie und die Verwaltung, die sich je nach Bedarf kombinieren ließen.

Nach der Firmengründung von Apple gewann der Ästhet Steve Jobs schnell maßgeblichen Einfluss auf die Produktpalette der innovativen Computerfirma im kalifornischen Silicon Valley. Die neuen Apple-Modelle zeichneten sich durch eine klare, puristische Formensprache aus. Der Apple II, der ab 1977 zu kaufen war, steht als legendäres Designobjekt im Museum of the Moving Image in New York.

Während Konkurrent Microsoft auf die innovative Entwicklung von Software und Betriebssystemen setzte und bei kastenförmigen, grauen Bürorechnern blieb, konzentrierte sich Apple auch auf die Ästhetik der Produkte. Der erste iMac, erschienen 1998, war nicht nur Türkis und hatte abgerundete Kanten, sondern war auch leicht durchsichtig und gab so die Sicht frei auf das Innenleben des Computers.

Wunderwelt der Computer-Technik: Nachdem die Firma Intel 1971 die ersten Mikroprozessoren auf den Markt gebracht hatte, entwickeln sich die Computer in rasanter Geschwindigkeit zu immer kleineren Modellen. Inzwischen werden solche winzigen Steuerungschips auch von Schmuckdesignern verarbeitet. Im Inneren von PCs und Laptops vollbringen sie wahre Wunder an Rechenleistung.

Die Zukunft gehört den lautlosen Tablets. Gerade Menschen, die viel unterwegs sind, schätzen die Mini-Computer, da sie in jede Tasche passen und auch im Zug oder im Flugzeug den Sitznachbar nicht stören - vorausgesetzt der Ton ist stummgeschaltet. Im Gegensatz zur raschelnden Zeitung, die umzublättern eine Herausforderung sein kann, surft der Tablet-User still und leise durchs Internet.

Die Smartwatch, mit der man nicht nur E-Mail lesen, seine Gesundheit überwachen oder die Uhrzeit checken kann, kam schon vor einigen Jahren auf den Markt. Einer breiten Masse bekannt, wurde sie aber erst mit der Apple Watch, die 2015 in den Handel kam. Sie ist bislang vor allem ein Statussymbol. In Gold ist sie übrigens ab 11.000 Euro zu haben.

Noch in den 1990er Jahren überlebten Patienten mit Lungenhochdruck im Schnitt nur etwa zweieinhalb Jahre. Ein wirksames Medikament gegen die seltene Krankheit wurde mit dem Deutschen Zukunftspreis geehrt.  

Anfang 2016 beginnt Airbus mit einer eigenen Serienfertigung von Bauteilen aus dem Drucker - der erste Schritt hin zur Fabrik der Zukunft. Dafür wurden drei Laser-Pioniere für den Deutschen Zukunftspreis nominiert.  

Freisinger Forscher haben einen Weg gefunden, aus Lupinen hochwertiges Protein zu gewinnen. Die Hülsenfrucht könnte einmal Soja Konkurrenz machen. Sie eignet sich zudem hervorragend zur Bodenverbesserung  

© 2022 Deutsche Welle | Datenschutz | Erklärung zur Barrierefreiheit | Impressum | Kontakt | Mobile Version